高電壓技術

學科地位

本課程性質、任務和要求

教材及主要參考書

課程導引

緒論一學科地位日本小崎正光教授把最高品質能量形態的電能有關知識和技術體系稱為電氣－電子工程學，它可理解為圖示的三柱組成的體系：

對高電壓與絕緣技術可這樣理解：電能與人類的生存、發展有密切關系，而高電壓與絕緣技術是其中一個很重要的知識體系，它是支撐電能應用的一根有力的支柱。高電壓絕緣技術將抓住成為夢之能源的核聚變發電、超導應用、大陸間送電、直流系統、電能儲藏、高性能蓄電池等大量課題進一步發展下去。

二本課程性質、任務和要求

高電壓技術是電工學科的一個重要分支，它主要研究高電壓、強電場下各種電氣物理問題。電介質的電氣強度電氣絕緣與高壓電氣試驗過電壓防護與絕緣配合

本課程是一門重要的專業技術基礎課，主要內容包括：在電氣工程及自動化工程中具有較強的理論性、實踐性的應用價值。通過本課程的學習，同學應達到以下要求：獲得各種電介質的絕緣特性知識提高抗電強度的方法了解高電壓試驗設備原理、試驗方法掌握波過程的基本理論具有分析計算供電系統中大氣過電壓、操作過電壓的能力學會限制各種過電壓的措施理解供電系統中絕緣配合的原則本課程的內容課堂習題實驗三教材及主要參考書

教材：吳廣寧，高電壓技術，機械工業出版社，2007

參考書目：趙智大，高電壓技術，中國電力出版社，1999小崎正光，高電壓與絕緣技術，科學出版社，2001邱毓昌等，高電壓工程，西安交大出版社，1995肖如泉，高電壓試驗工程，清華大學出版社，2001文遠芳，高電壓技術，華中科技大學出版社，2001張緯鈸，何金良等，過電壓防護與絕緣配合，2002四課程導引

電能是現代社會中最重要、最方便的能源。電能具有許多優點，如：可以方便地轉化為其他形式的能量。 如：機械能、熱能、光能、化學能等；輸送和分配易于實現；應用規模靈活。電能與電力系統圖0-1動力系統、電力系統和電力網示意圖動力系統、電力系統和電力網示意圖如下圖所示：電力的大容量和遠距離傳輸，促使電壓等級的不斷提高。100年來世界上的輸電電壓提高了100倍。目前我國最高電壓等級為750kV。在高壓輸電行業中，習慣上稱：低壓35kV以下高壓35kV-100kV超高壓100kV-1000kV特高壓1000kV以上直流電壓因為不能利用變壓器，所以交流輸電最先得到迅速發展。直流輸電

20世紀50年代中期以來，隨著各方面的技術的進步，直流輸電的優越性逐步得到體現，許多國家又逐步開始發展直流輸電。我國多條遠距離的西電東送線路即為直流輸電線路。中國電力工業的現狀與發展

1980年以來我國發電量平均以9%的年增長率增長。2002年我國年發電量已達16000億千瓦時。

1996年底我國發電設備裝機容量已達2.3億kW，居世界第二位，2002年達3.53億kW。我國各大電網現有的變電及配電電壓等級為：交流：500kV，220kV，110kV，(66kV)35kV，10kV直流：正負500kV，+-800KV西北電網電壓等級為330kV，220kV，100kV，35kV，10kV目前正在著手西北地區750kV輸變電工程的設計、實施高電壓、高場強下的特殊問題絕緣問題沒有可靠的絕緣，高電壓高場強甚至無法實現。在一定的電壓形式下，必須選擇合理的絕緣材料，設計合理的絕緣結構。高電壓實驗問題高電壓技術是一門工程性很強的學科，實驗是必不可少的。高電壓試驗面臨諸如以下問題：如何產生高壓？如何對電氣設備進行高壓試驗？如何測量高壓？過電壓保護問題電力系統運行過程中，經常會導致比工作電壓高得多的電壓產生，如：自然界的雷擊、電力系統本身操作導致的操作過電壓等。為了保護電力系統中的電力設備，必須研究：各種過電壓的特點及形成條件各種保護裝置及其保護特性電壓、絕緣、保護三者之間的絕緣配合電磁環境問題

電磁兼容：高電壓高場強下各種電磁干擾信號更強，電磁兼容問題也更加突出。

生態效應：研究強電場、強磁場下對生物生活環境的影響。高電壓下特殊現象及其應用高電壓學科的特有現象可以舉出很多，其中一些已得到應用，并有很好的發展前景，已成為國內外廣泛開展研究的方向。靜電技術及應用利用靜電技術人們制成靜電除塵器，其除塵效率達99%以上。液電效應及應用

液電效應是液體電介質在高電壓、大電流放電時伴隨產生的力、聲、光、熱等效應的總稱。利用此原理可以制成碎石機、鑄件清砂裝置等，已得到廣泛應用。線爆技術及應用強大的電流通過金屬線時，會使金屬線熔化、氣化、爆炸，可以對難熔金屬、難鍍材料噴涂，也可用線爆來模擬高空核爆炸或地下核爆炸。

脈沖功率技術在許多高科技領域、尖端武器領域得到廣泛應用，目前脈沖功率技術正向著高電壓、大電流、窄脈沖、高重復率的方向發展。脈沖功率技術及應用例如：體外碎石技術腎結石、膽結石的體外粉碎是利用高壓脈沖產生一定向沖擊波，經聚焦后作用于患處將結石擊碎。除菌及清鮮空氣利用空氣中電暈放電，控制產生一定濃度臭氧(強氧化劑)，達到殺菌及清潔空氣的作用(目前空調中所謂的等離子體空氣清新技術)脈沖電磁場刺激小腦頂核治療腦血管疾病

使用脈沖電磁場刺激小腦頂核后，可改善大腦血流，縮小腦梗塞體積，患者腦循環動力參數有明顯好轉，神經功能得到極大的改善。脈沖電磁場對細胞膜的可逆性擊穿效應

在一定劑量的短時電脈沖作用下細胞膜出現暫時微孔，脈沖撤出后，微孔愈合，細胞膜恢復原始結構的現象癌癥的電穿孔療法（美國Genetronics公司）采用電脈沖輔助化療藥物如博萊酶素等治療腫瘤。治療機理：一定劑量（電場強度1.6kV/cm、脈寬100us、頻率1～4Hz）的（4～10個）電脈沖導致腫瘤細胞膜電穿孔，使細胞膜的電導率和粒子滲透作用劇增從而促進化療藥物的運送。MedPulser?系統的治療過程a.注射化療藥物b.插入電極針陣列c.施加電脈沖污水處理利用高頻脈沖高壓產生高濃度臭氧，與污水作用能夠分解污水中的有機物，去除臭氣，實現污水的處理。煙氣處理利用高功率脈沖形成高能活性離子，可以實現工廠煙氣的脫硫脫硝，凈化排污。（國家863項目）等離子體隱身利用等離子體與電磁波的作用機制(能夠有效吸收大量的電磁波),產生覆蓋飛行器的等離子體層，能有效吸收雷達信號，達到隱身的目的。

國家自然科學基金重大研究項目舊金山大停電美國舊金山1998年2月8日，太平洋天然氣電力公司(PGE)變電站發生停電事故，所有從圣馬特歐變電站至舊金山的5條115kV輸電線全部跳開，舊金山地區2個發電廠解列，456000多個用戶停電。巴西大停電巴西圣保羅1999年，由于閃電擊中圣保羅的一個變電站，變壓器跳閘導致電網解列，引起巴西南部地區停電長達4小時之久。停電波及巴西27個州的11個州，停電地區是巴西人口和工商業最密集的地區，直接影響1.7億人的正常工作與生活，經濟損失非常嚴重。由于停電發生在午間交通高峰時間，交通燈熄滅，引起嚴重交通堵塞。紐約大停電美國紐約2002年3月位于曼哈頓東區的愛迪生聯合電廠突然失火，并引燃了用于發電的燃油。這起事故造成紐約第14大街以南的6.3萬戶居民住宅停電，附近的格林尼治和索霍等地區也受到影響。居住在世貿中心遺址附近的居民又一次感受到了9·11時的恐怖氣氛。駕車者在昏暗的高速公路上小心翼翼地行駛，高大建筑內的人們在漆黑的樓道里摸索著前行，耳邊不時傳來陣陣警笛聲。菲律賓大停電菲律賓主島呂宋島2002年5月21日由于海底電纜損壞，引發大面積停電事故，全國人口一半以上受到影響。首都馬尼拉和廣泛地區四千多萬人沒有電力供應。這次停電對菲律賓的商業運作造成重大打擊。受停電影響，鐵路系統停頓，數以千計的乘客被困車廂內；菲律賓股票市場也被迫中斷交易。加州大停電美國加州2002年1月以及3月連續兩次發生全州停電事故。為防止整個系統癱瘓，加州實行了二戰后的首次燈火管制，以避免對電力設備造成損害，引發更大面積的不能控制的斷電事故。電力官員稱用電高峰再次對該州設備嚴重老化的電力系統帶來完全癱瘓的威脅，加州已宣布進入3級緊急狀態。

Cisco、IBM和Intel等公司擔心加州能源危機惡化，正考慮撤離硅谷。加州議會正擬定一項4億美元的電力拯救計劃。希臘北部地區2002年6月12日下午由于氣溫過高，希臘北部最大城市薩洛尼卡附近一座變電站內的變壓器突然發生爆炸，造成包括該市在內的大部分希臘北部地區供電中斷。發生長達一個多小時的嚴重停電事故，造成許多城市交通癱瘓，通訊系統無法正常工作。瑞典首都斯德哥爾摩于2002年3月11日開始，由于地下隧道的輸電電纜被燒毀，連續兩天發生大面積停電事件，造成許多工廠停產，嚴重影響了當地居民的正常生活。英國南部萊斯特郡5月11日發生大面積停電。2萬多戶家庭連續幾天生活在黑暗中。附近的肯特郡、薩塞克斯郡和薩里郡的3.1萬戶家庭的斷電現象則持續了更長一段時間。在我國，近20年來各大電網中規模較大的停電事故約有140余起，每次損失數以億計。近幾年事故次數雖有所下降。但其規模和造成的損失卻大幅度擴大和上升。隨著全國電網的形成，電力系統重大事故也更將危及到我國國家安全。臺灣大停電臺灣1999年7月29日全島發生五十年來最大的一起停電事故，南北兩條超高壓輸電線路損壞，進而引發連鎖反應，造成臺中電廠、通霄電廠、林口電廠、協和電廠、深澳電廠以及核能一、二、三廠全部跳閘，總跳機電量高達1000萬千瓦，全臺灣停電用戶高達900萬戶。包括機場、醫院、科學園等敏感地區，都一度陷入停電狀態。直接經濟損失在150億新臺幣以上。新竹科學園的26座晶片廠生產線因此停頓1至2天，每座晶片廠的損失估計超過5000萬元，由于適逢月底出貨高峰，總計這次大停電造成新竹科園區的損失約新臺幣100億元以上。遼沈大停電遼沈地區2001年2月22日遭遇最嚴重大面積停電事故，沈陽市區停電面積已經超過